Крошечная нагрузка - постоянная текущая нагрузка: 4 шага (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Я сам разрабатывал стендовый блок питания и, наконец, дошел до точки, когда я хочу приложить к нему нагрузку, чтобы посмотреть, как он работает. Посмотрев отличное видео Дэйва Джонса и просмотрев несколько других интернет-ресурсов, я придумал Tiny Load. Это регулируемая нагрузка с постоянным током, которая должна выдерживать около 10 ампер. Напряжение и ток ограничиваются номиналами выходного транзистора и размером радиатора.

Надо сказать, есть несколько действительно умных дизайнов! Tiny Load действительно прост и прост, это небольшая модификация конструкции Дэйва, но она все равно будет рассеивать мощность, необходимую для тестирования блока питания, до тех пор, пока он не получит больше энергии, чем может выдержать.

Tiny Load не имеет подключенного измерителя тока, но вы можете подключить внешний амперметр или контролировать напряжение на резисторе обратной связи.

Я немного изменил дизайн после того, как построил его, поэтому в представленной здесь версии есть светодиод, который сообщает вам, что он включен, и лучший рисунок печатной платы для переключателя.

Схема и компоновка печатной платы представлены здесь в виде файлов PDF, а также изображений в формате JPEG.

Шаг 1: Принцип работы

Для тех, кто не разбирается в электронных принципах, вот объяснение того, как работает схема. Если все это вам хорошо известно, смело пропустите!

Сердце Tiny Load - двойной операционный усилитель LM358, который сравнивает ток, протекающий в нагрузке, с установленным вами значением. Операционные усилители не могут определять ток напрямую, поэтому ток преобразуется в напряжение, которое операционный усилитель может обнаруживать с помощью резистора R3, известного как резистор, чувствительный к току. На каждый усилитель, протекающий через R3, вырабатывается 0,1 вольт. Это показано законом Ома, V = I * R. Поскольку R3 имеет действительно низкое значение, при 0,1 Ом, он не становится чрезмерно горячим (мощность, которую он рассеивает, выражается величиной I²R).

Установленное вами значение является долей опорного напряжения - опять же, напряжение используется, потому что операционный усилитель не может обнаружить ток. Опорное напряжение создается двумя последовательно включенными диодами. Когда через него протекает ток, на каждом диоде создается напряжение порядка 0,65 вольт. Это напряжение, которое обычно составляет до 0,1 В по обе стороны от этого значения, является неотъемлемым свойством кремниевых p-n-переходов. Таким образом, опорное напряжение составляет около 1,3 вольт. Поскольку это неточный прибор, здесь нет необходимости в большой точности. Ток диодов поступает через резистор. подключен к аккумулятору. Опорное напряжение немного выше для установки нагрузки на максимум 10 ампер, поэтому потенциометр, который устанавливает выходное напряжение, подключен последовательно с резистором 3 кОм, который немного снижает напряжение.

Поскольку опорный резистор и резистор, чувствительный к току, соединены вместе и подключены к нулевому соединению операционного усилителя, операционный усилитель может обнаруживать разницу между двумя значениями и настраивать свой выходной сигнал так, чтобы разница уменьшалась почти до нуля. Используемое здесь практическое правило заключается в том, что операционный усилитель всегда будет пытаться настроить свой выход так, чтобы на его два входа было одинаковое напряжение.

К батарее подключен электролитический конденсатор, чтобы избавиться от любого шума, который попадает в питание операционного усилителя. К диодам подключен еще один конденсатор, чтобы уменьшить шум, который они генерируют.

Деловая часть Tiny Load формируется MOSFET (полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником). Я выбрал этот, потому что он был в моем мусорном ящике и имел подходящие для этой цели номинальные значения напряжения и тока, однако, если вы покупаете новый, можно найти гораздо более подходящие устройства.

МОП-транзистор действует как переменный резистор, где сток подключен к положительной стороне источника питания, который вы хотите проверить, исток подключен к R3, а через него - к проводу - источника питания, который вы хотите проверить, а затвор подключен. к выходу операционного усилителя. Когда на затворе нет напряжения, МОП-транзистор действует как разомкнутая цепь между стоком и истоком, однако при приложении напряжения выше определенного значения («порогового» напряжения) он начинает проводить. Достаточно увеличьте напряжение затвора, и его сопротивление станет очень низким.

Таким образом, операционный усилитель поддерживает напряжение затвора на уровне, при котором ток, протекающий через R3, вызывает развитие напряжения, которое почти равно части опорного напряжения, которое вы устанавливаете при повороте потенциометра.

Поскольку МОП-транзистор действует как резистор, на нем есть напряжение и ток, протекающий через него, что заставляет его рассеивать мощность в виде тепла. Это тепло должно куда-то уходить, иначе оно очень быстро разрушит транзистор, поэтому он прикручен к радиатору. Математика для расчета размера радиатора проста, но также немного мрачна и загадочна, но основана на различных тепловых сопротивлениях, которые препятствуют потоку тепла через каждую часть от полупроводникового перехода к наружному воздуху, и допустимому увеличению температуры. Итак, у вас есть тепловое сопротивление от перехода к корпусу транзистора, от корпуса к радиатору и через радиатор к воздуху, сложите их вместе и получите общее тепловое сопротивление. Он указывается в градусах Цельсия / Вт, поэтому на каждый рассеиваемый ватт температура повышается на это количество градусов. Добавьте это к температуре окружающей среды, и вы получите температуру, при которой будет работать ваш полупроводниковый переход.

Шаг 2: Детали и инструменты

Я построил Tiny Load в основном из частей мусорного ящика, так что это немного произвольно!

Печатная плата сделана из SRBP (FR2), который у меня оказался, потому что он был дешевым. Он покрыт медью на 1 унцию. Диоды, конденсаторы и МОП-транзисторы - старые бывшие в употреблении, а операционный усилитель - один из 10, которые я получил недавно, потому что они были дешевыми. Стоимость - единственная причина для использования для этого устройства smd - 10 устройств smd стоили мне столько же, сколько было бы одно сквозное отверстие.

• 2 диода 1N4148. Используйте больше, если хотите иметь возможность загружать больше тока.
• MOSFET-транзистор, я использовал BUK453, потому что это то, что у меня было, но выбирайте то, что вам нравится, пока номинальный ток превышает 10 А, пороговое напряжение ниже примерно 5 В, а Vds выше, чем максимум, который вы ожидаете используйте его в, все должно быть в порядке. Попробуйте выбрать тот, который предназначен для линейных приложений, а не для переключения.
• Потенциометр 10k. Я выбрал это значение, потому что это то, что у меня было, то есть то, что я снял со старого телевизора. Штифты с таким же расстоянием между выводами широко доступны, но насчет монтажных проушин я не уверен. Для этого вам, возможно, придется изменить макет платы.
• Ручка для установки потенциометра
• Резистор 3к. 3.3k тоже должно работать. Используйте меньшее значение, если вы хотите иметь возможность нагружать больший ток с показанным опорным сигналом с двумя диодами.
• LM358 операционный усилитель. На самом деле, любой отдельный источник питания типа rail-to-rail должен справиться с этой задачей.
• Резистор 22к
• Резистор 1к
• Конденсатор 100 нФ. Это действительно должно быть керамическое, хотя я использовал пленочный
• Конденсатор 100 мкФ. Должен быть рассчитан на напряжение не менее 10 В.
• Резистор 0,1 Ом, минимальная мощность 10 Вт. Тот, который я использовал, большого размера, опять же цена была решающим фактором. Резистор 25 Вт 0,1 Ом в металлическом корпусе был дешевле, чем типы с более подходящим номиналом. Удивительно, но факт.
• Радиатор - старый радиатор процессора работает хорошо, и его преимущество заключается в том, что он предназначен для подключения вентилятора, если он вам нужен.
• Компаунд для теплового радиатора. Я узнал, что компаунды на керамической основе работают лучше, чем компаунды на основе металлов. Я использовал Arctic Cooling MX4, который у меня был. Он работает хорошо, дешево, и вы получаете много!
• Небольшой кусок алюминия для кронштейна
• Маленькие винты и гайки
• небольшой ползунковый переключатель

Шаг 3: Строительство

Я построил крошечный груз из барахла или очень дешевых запчастей.

Радиатор представляет собой старый радиатор процессора эпохи Pentium. Я не знаю, что это за тепловое сопротивление, но предполагаю, что оно около 1 или 2 ° C / Вт, судя по изображениям внизу этого руководства: https://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/ thcalc… хотя опыт подсказывает, что это лучше, чем это.

Я просверлил отверстие в центре радиатора, нарезал на него резьбу и установил на нем транзистор с термопастой MX4 и ввернул крепежный винт прямо в резьбовое отверстие. Если у вас нет средств для резьбонарезания отверстий, просто просверлите его немного больше и используйте гайку.

Первоначально я думал, что это будет ограничено рассеянием около 20 Вт, однако у меня он работал на 75 Вт или выше, где он становился довольно горячим, но все же не слишком горячим для использования. С подключенным охлаждающим вентилятором это было бы еще выше.

На самом деле нет необходимости прикручивать резистор датчика тока к плате, но какой смысл в отверстиях для болтов, если вы не можете что-то прикрутить к ним? Я использовал небольшие кусочки толстого провода, оставшиеся от некоторых электромонтажных работ, чтобы подключить резистор к плате.

Выключатель питания пришел от неработающей игрушки. Я неправильно расставил отверстия на моей печатной плате, но расстояние на макете печатной платы, приведенное здесь, должно подходить, если у вас есть такой же тип миниатюрного переключателя SPDT. Я не включил светодиод в исходный дизайн, чтобы показать, что Tiny Load включен, но понял, что это глупое упущение, поэтому добавил его.

Толстые дорожки в том виде, в каком они стоят, на самом деле недостаточно толстые для 10 ампер с использованием медной платы в 1 унцию, поэтому она забита медным проводом. Каждая из дорожек имеет кусок медного провода толщиной 0,5 мм, наложенный вокруг него и припаянный через определенные промежутки времени, за исключением короткого участка, который соединен с землей, поскольку заземляющая пластина добавляет массу. Убедитесь, что добавленный провод идет прямо к контактам МОП-транзистора и резистора.

Я сделал печатную плату методом переноса тонера. В сети есть огромное количество литературы по этому поводу, поэтому я не буду вдаваться в подробности, но основной принцип заключается в том, что вы используете лазерный принтер, чтобы распечатать дизайн на блестящей бумаге, затем погладить его на доске, а затем протравить. Это. Я использую дешевую бумагу для переводных картинок с желтым тонером из Китая и утюг для одежды, настроенный на температуру чуть ниже 100 ° C. Я использую ацетон, чтобы смыть тонер. Просто продолжайте протирать тряпки свежим ацетоном, пока они не станут чистыми. Я сделал много фотографий, чтобы проиллюстрировать процесс. Для работы доступны гораздо лучшие материалы, но они немного превышают мой бюджет! Обычно мне приходится подправлять переводы маркером.

Просверлите отверстия своим любимым способом, затем добавьте медную проволоку к широким дорожкам. Если вы присмотритесь, вы увидите, что я немного испортил свое сверление (потому что я использовал экспериментальный сверлильный станок, который несколько несовершенный. Когда он будет работать правильно, я сделаю на нем инструкции, я обещаю!)

Сначала установите операционный усилитель. Если вы раньше не работали с smd, не пугайтесь, это довольно просто. Сначала залудите одну из площадок на плате небольшим количеством припоя. Установите чип очень осторожно и прикрепите соответствующий штифт к луженой подушке. Хорошо, теперь микросхема не двигается, можно припаять все остальные контакты. Если у вас есть жидкий флюс, нанесение его мазка облегчит процесс.

Установите остальные компоненты, сначала самые маленькие, которые, скорее всего, являются диодами. Убедитесь, что вы их правильно поняли. Я сделал все немного наоборот, сначала установив транзистор на радиаторе, потому что сначала я использовал его для экспериментов.

Какое-то время аккумулятор крепился к плате с помощью липких подушечек, что работало на удивление хорошо! Он был подключен с помощью стандартного разъема pp3, однако плата рассчитана на использование более прочного держателя, который фиксируется на всей батарее. У меня возникли проблемы с фиксацией держателя батареи, так как для этого нужны винты 2,5 мм, которых у меня мало, и нет подходящих гаек. Я просверлил отверстия в зажиме до 3,2 мм и зенковал их до 5,5 мм (не настоящая зенковка, я просто использовал сверло!), Но обнаружил, что сверло большего размера очень сильно захватывает пластик и проходит прямо через одно из отверстий.. Конечно, вы можете использовать липкие подушечки, чтобы исправить это, что, оглядываясь назад, может быть лучше.

Обрежьте провода зажима аккумулятора так, чтобы у вас было около дюйма провода, залудите концы, пропустите их через отверстия в плате и припаяйте концы обратно через плату.

Если вы используете резистор в металлическом корпусе, подобный показанному, установите его с толстыми выводами. Между ним и платой должны быть какие-то прокладки, чтобы не перегреть операционный усилитель. Я использовал гайки, но металлические гильзы или стопки шайб, приклеенные к доске, были бы лучше.

Один из болтов, фиксирующих зажим аккумулятора, также проходит через один из выступов резистора. Это оказалось плохой идеей.

Шаг 4: Использование, улучшения, некоторые мысли

Использование: Tiny Load предназначена для получения постоянного тока от источника питания, независимо от напряжения, поэтому вам не нужно подключать к нему что-либо еще, кроме амперметра, который вы должны подключить последовательно с одним из входов..

Поверните ручку до нуля и включите Tiny Load. Вы должны увидеть небольшой ток, примерно до 50 мА.

Медленно поворачивайте ручку до тех пор, пока не начнет течь ток, при котором вы хотите проверить, выполните все необходимые тесты. Убедитесь, что радиатор не слишком горячий - практическое правило гласит, что если он обожжет ваши пальцы, он станет слишком горячим. В этом случае у вас есть три варианта:

1. Уменьшите напряжение питания.
2. Уменьшите крошечную нагрузку
3. Запустите его на короткие промежутки времени, оставив достаточно времени, чтобы остыть между ними.
4. Установите вентилятор на радиатор

Хорошо, хорошо, это четыре варианта:)

Нет никакой защиты входа, поэтому будьте очень осторожны, чтобы входы были подключены правильно. Сделайте это неправильно, и внутренний диод МОП-транзистора будет проводить весь доступный ток и, вероятно, разрушить МОП-транзистор в процессе.

Улучшения: быстро стало очевидно, что у Tiny Load должны быть собственные средства измерения потребляемого тока. Для этого есть три пути.

1. Самый простой вариант - подключить амперметр последовательно с положительным или отрицательным входом.
2. Самый точный вариант - подключить к измерительному резистору вольтметр, откалиброванный по этому резистору, чтобы показанное напряжение указывало на ток.
3. Самый дешевый вариант - сделать бумажные весы, которые поместятся за ручкой управления, и нанести на них калиброванную шкалу.

Потенциально отсутствие обратной защиты может стать большой проблемой. Внутренний диод МОП-транзистора будет проводить независимо от того, включена ли крошечная нагрузка или нет. Опять же, есть несколько вариантов решения этой проблемы:

1. Самый простой и дешевый способ - подключить диод (или несколько диодов параллельно) последовательно со входом.
2. Более дорогой вариант - использовать МОП-транзистор со встроенной обратной защитой. Хорошо, это тоже самый простой метод.
3. Самый сложный вариант - соединить второй МОП-транзистор встречно с первым, который проводит только при правильной полярности.

Я понял, что иногда действительно необходимо регулируемое сопротивление, которое может рассеивать большую мощность. Для этого можно использовать модификацию этой схемы, что намного дешевле, чем покупка большого реостата. Так что обратите внимание на Tiny Load MK2, который сможет переключаться в резистивный режим!

Заключительные мысли Tiny Load зарекомендовал себя как полезный еще до того, как был завершен, и работает очень хорошо. Однако у меня были некоторые проблемы с его построением, и впоследствии я понял, что измеритель и индикатор включения будут ценными улучшениями.